JP2004179539A - 固体撮像装置及び放射線撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生を抑制して、ＳＮ比が劣化するのを防止することが可能な固体撮像装置及び放射線撮像装置を提供すること。
【解決手段】半導体基板１２のＰ−型ウエル層１２ｃの表面側には、Ｎ＋型半導体領域１２ｄが形成されており、このＮ＋型半導体とＰ−型半導体とでフォトダイオードが構成される。第１絶縁層１３の上には、アイソレーション領域１２ｅに電気的に接続される金属配線１４が形成されている。この金属配線１４は、その端部が半導体基板１２（Ｐ−型ウエル層１２ｃ）の光入射面に露出するｐｎ接合部分（Ｐ−型ウエル層１２ｃとＮ＋型半導体領域１２ｄとの界面）を覆うように当該ｐｎ接合部分の上方に設けられており、格子形状を呈している。金属配線１４は接地されており、アイソレーション領域１２ｅは接地電位とされる。
【選択図】 図６
【解決手段】半導体基板１２のＰ−型ウエル層１２ｃの表面側には、Ｎ＋型半導体領域１２ｄが形成されており、このＮ＋型半導体とＰ−型半導体とでフォトダイオードが構成される。第１絶縁層１３の上には、アイソレーション領域１２ｅに電気的に接続される金属配線１４が形成されている。この金属配線１４は、その端部が半導体基板１２（Ｐ−型ウエル層１２ｃ）の光入射面に露出するｐｎ接合部分（Ｐ−型ウエル層１２ｃとＮ＋型半導体領域１２ｄとの界面）を覆うように当該ｐｎ接合部分の上方に設けられており、格子形状を呈している。金属配線１４は接地されており、アイソレーション領域１２ｅは接地電位とされる。
【選択図】 図６
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置及び放射線撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の放射線撮像装置として、ファイバオプティカルプレート（以下、ＦＯＰと称する）と、このＦＯＰの一方の表面に設けられたシンチレータと、ＦＯＰの他方の表面に対向して設けられたＭＯＳ型イメージセンサと、を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、光電変換を行う光検出器が１次元又は２次元に配列された光検出器アレイと、光検出器の光入射面上に直接形成されたシンチレータと、を備えた放射線撮像装置も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２８７３５号公報
【特許文献２】
国際公開ＷＯ９８／３６２９０号パンフレット
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に開示されたような撮像装置では、ＦＯＰ自体の大面積化が不可能であるために、撮像面の大面積化は困難であった。このため、上記特許文献２に開示されているように、ＦＯＰを用いることなく、光検出器の光入射面上にシンチレータを直接形成する手法が考えられる。また、光検出器の光入射面上にシンチレータを直接形成するのではなく、支持体上にシンチレータを形成し、光検出器の光入射面とシンチレータとを密着させる手法も考えられる。
【０００６】
しかしながら、ＦＯＰを用いない構成とした場合、ＳＮ比が劣化するという新たな問題点が発生するようになった。発明者等の調査研究の結果、以下の事実が新たに判明した。ＦＯＰが存在する場合には、シンチレータにて光に変換されなかった放射線は、ＦＯＰに含まれる鉛により遮蔽される。ところが、ＦＯＰが存在しない場合には、シンチレータにて光に変換されなかった放射線が、ＭＯＳ型イメージセンサに直接入射し、フォトダイオード以外の領域、例えばＭＯＳ型イメージセンサの表面保護膜である表面酸化膜（シリコン酸化膜等）中で電荷が発生することとなる。発生した電荷はｐｎ接合部分に蓄積（チャージアップ）し、これによりフォトダイオードの端部であるｐｎ接合部分において電荷の界面リークが起こり、リーク電流が発生する。このリーク電流はフォトダイオードからの電流出力に重畳され、ＳＮ比が劣化してしまう。
【０００７】
本発明は、ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生を抑制して、ＳＮ比が劣化するのを防止することが可能な固体撮像装置及び放射線撮像装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像装置は、第１導電型の半導体基板と、当該半導体基板の一方面側に２次元状に配列されて形成された複数の第２導電型半導体領域とを含み、半導体基板と各第２導電型半導体領域とのｐｎ接合によりそれぞれがフォトダイオードとして機能する光感応部と、少なくとも半導体基板の一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように設けられた導電性部材と、を有し、導電性部材は、固定電位に接続されている、若しくは接地されていることを特徴としている。
【０００９】
本発明に係る固体撮像装置では、少なくとも半導体基板の一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように設けられた導電性部材が固定電位に接続されている、若しくは接地されているので、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷がｐｎ接合部分に蓄積されることなく、導電性部材を通って外部に排出されることとなる。このため、ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生が抑制され、ＳＮ比が劣化するのを防止することができる。
【００１０】
また、導電性部材は、光感応部への光入射方向から見て格子形状を呈しており、半導体基板の一方面に露出するｐｎ接合部分及び隣接する第２導電型半導体領域の間の部分を覆うように設けられていることが好ましい。このように構成した場合、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷を外部に排出し、当該ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生を確実に抑制し得る構成の導電性部材を簡易且つ容易に実現できる。
【００１１】
また、光感応部は、隣接する第２導電型半導体領域間に形成されたアイソレーション領域を更に含み、導電性部材は、アイソレーション領域に電気的に接続されていることが好ましい。このように構成した場合、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷を外部に排出するための導電性部材と、アイソレーション領域を固定電位に接続する若しくは接地するための導電性部材とを共通化でき、構造が複雑化するのを防止できる。
【００１２】
また、フォトダイオードに電気的に接続され、当該フォトダイオードの出力を読み出すための信号線と、複数のフォトダイオードの列毎に各フォトダイオードと信号線との間の電気的な接続及び遮断を制御する複数のスイッチからなるスイッチ群と、スイッチ群を構成する各スイッチの制御端子に接続され、当該各スイッチを複数のフォトダイオードの行毎に遮断あるいは導通させる走査信号を制御端子に入力する配線と、を更に有し、配線は、導電性部材の上方に位置して設けられていることが好ましい。このように構成した場合、走査信号を制御端子に入力する際に配線における供給電圧の変化に伴って発生するノイズが導電性部材によりシールドされ、当該ノイズがフォトダイオードの出力に重畳されてしまうのを防止することができる。
【００１３】
本発明に係る固体撮像装置は、第１導電型の半導体基板と、当該半導体基板の一方面側にＭ行Ｎ列に配列されて形成された複数の第２導電型半導体領域とを含み、半導体基板と各第２導電型半導体領域とのｐｎ接合によりそれぞれがフォトダイオードとして機能する光感応部と、列毎に設けられた第１の配線と、列毎に各フォトダイオードと第１の配線とを接続する複数のスイッチからなる第１のスイッチ群と、第１のスイッチ群を構成する各スイッチを行毎に開閉させる垂直走査信号を出力する垂直シフトレジスタと、第１のスイッチ群を構成する各スイッチの制御端子と垂直シフトレジスタとを行毎に接続する第２の配線と、第１の配線それぞれと信号出力線とを接続する複数のスイッチからなる第２のスイッチ群と、第２のスイッチ群を構成する各スイッチを列毎に開閉させる水平走査信号を出力する水平シフトレジスタと、少なくとも半導体基板の一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように設けられた導電性部材と、を有しており、導電性部材は、固定電位に接続されている、若しくは接地されていることを特徴としている。
【００１４】
本発明に係る固体撮像装置では、少なくとも半導体基板の一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように設けられた導電性部材が固定電位に接続されている、若しくは接地されているので、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷がｐｎ接合部分に蓄積されることなく、導電性部材を通って外部に排出されることとなる。このため、ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生が抑制され、ＳＮ比が劣化するのを防止することができる。
【００１５】
また、導電性部材は、光感応部への光入射方向から見て格子形状を呈しており、半導体基板の一方面に露出するｐｎ接合部分及び隣接する第２導電型半導体領域の間の部分を覆うように設けられていることが好ましい。このように構成した場合、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷を外部に排出し、当該ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生を確実に抑制し得る構成の導電性部材を簡易且つ容易に実現できる。
【００１６】
また、光感応部は、隣接する第２導電型半導体領域間に形成されたアイソレーション領域を更に含み、導電性部材は、アイソレーション領域に電気的に接続されていることが好ましい。このように構成した場合、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷を外部に排出するための導電性部材と、アイソレーション領域を固定電位に接続する若しくは接地するための導電性部材とを共通化でき、構造が複雑化するのを防止できる。
【００１７】
また、第２の配線は、導電性部材の上方に位置して設けられていることが好ましい。このように構成した場合、走査信号を制御端子に入力する際の第２の配線における供給電圧の変化に伴って発生するノイズが導電性部材によりシールドされ、当該ノイズがフォトダイオードの出力に重畳されてしまうのを防止することができる。
【００１８】
また、本発明に係る固体撮像装置は、第１導電型の半導体基板と、当該半導体基板の一方面側に２次元状に配列されて形成された複数の第２導電型半導体領域とを含み、半導体基板と各第２導電型半導体領域とのｐｎ接合によりそれぞれがフォトダイオードとして機能する光感応部と、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷を外部に排出するための導電性部材と、を有していることを特徴とする固体撮像装置。
【００１９】
本発明に係る固体撮像装置では、少なくとも半導体基板の一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように設けられた導電性部材が固定電位に接続されている、若しくは接地されているので、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷がｐｎ接合部分に蓄積されることなく、導電性部材を通って外部に排出されることとなる。このため、ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生が抑制され、ＳＮ比が劣化するのを防止することができる。
【００２０】
また、導電性部材は、少なくとも半導体基板の一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように当該ｐｎ接合部分の上方に設けられており、固定電位に接続されている若しくは接地されていることが好ましい。このように構成した場合、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷を外部に排出し得る構成の導電性部材を簡易且つ容易に実現できる。
【００２１】
本発明に係る放射線撮像装置は、上記固体撮像装置と、複数のフォトダイオードを覆うように設けられ、放射線を可視光に変換するシンチレータと、を有することを特徴としている。
【００２２】
本発明に係る放射線撮像装置では、上述したように、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷がｐｎ接合部分に蓄積されることなく、導電性部材を通って外部に排出されるので、ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生が抑制され、ＳＮ比が劣化するのを防止することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。本実施形態に係る放射線撮像装置は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置（固体撮像素子）を含んでいる。
【００２４】
図１及び図２は、本実施形態に係る放射線撮像装置の断面構成を説明するための概略図であり、図３は、本実施形態に係る放射線撮像装置を示す平面図である。図４は、本実施形態に係る放射線撮像装置を示す構成図である。なお、図３では、ボンディングワイヤの図示を省略している。
【００２５】
本実施形態の放射線撮像装置１は、図１〜図３に示されるように、固体撮像素子１１、シンチレータ２１、マウント基板２３、枠体２５等を備えている。
【００２６】
固体撮像素子１１は、ＭＯＳ型イメージセンサであって、半導体基板１２の一方面側に形成された、光感応部３１、シフトレジスタ部４１及び増幅部５１を有している。このように、光感応部３１、シフトレジスタ部４１及び増幅部５１は、同一基板（半導体基板１２）に形成されている。半導体基板１２（固体撮像素子１１）は、マウント基板２３上に固定されている。本実施形態においては、半導体基板１２の面積は、１６９００ｍｍ２（＝１３０ｍｍ×１３０ｍｍ）程度であり、光感応部３１の面積は、１５６２５ｍｍ２（＝１２５ｍｍ×１２５ｍｍ）程度である。
【００２７】
光感応部３１は、図４に示されるように、光の入射強度に応じた電荷量を蓄積するフォトダイオード（光電変換素子）３３を半導体基板１２上に複数個配列して構成される。より具体的には、ｙ軸方向にＭ行、ｘ軸方向にＮ列（Ｍ，Ｎは自然数）に配列されたＭ×Ｎ個のフォトダイオード３３によって光感応部３１が構成される。なお、図４においては、Ｍ及びＮが「４」に設定されている。
【００２８】
光感応部３１を構成するフォトダイオード３３のそれぞれには、一端が当該フォトダイオード３３に電気的に接続され、他端が後述の信号読み出しラインに電気的に接続されたゲートスイッチ（第１のスイッチ群を構成するスイッチ）３５が設けられている。従って、ゲートスイッチ３５が開のときには、フォトダイオード３３への光の入射に伴って電荷が蓄積され、ゲートスイッチ３５が閉になるとフォトダイオード３３に蓄積された電荷が後述の信号読み出しラインに読み出される。なお、ゲートスイッチ３５は、ＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）にて構成することができる。
【００２９】
シフトレジスタ部４１は、垂直シフトレジスタ４３を含み、半導体基板１２上であって、光感応部３１の一辺に面して形成されている。この垂直シフトレジスタ４３は、ゲートスイッチ３５を開閉させるための垂直走査信号を出力する。この垂直走査信号は、ハイ（Ｈ）レベルとロウ（Ｌ）レベルの２種類の駆動電圧を含んでおり、これらの駆動電圧の差は数Ｖ程度である。
【００３０】
各ゲートスイッチ３５の制御端子と垂直シフトレジスタ４３とは、ゲートライン（第２の配線；配線）４５によって電気的に接続されており、垂直シフトレジスタ４３から出力された垂直走査信号によって各ゲートスイッチ３５を開閉させることができるようになっている。ゲートライン４５は、具体的には、光感応部３１に配列されたフォトダイオード３３の行間を縫ってｘ軸方向に延線されており、同一行に存在する各ゲートスイッチ３５の制御端子に接続されている。従って、垂直シフトレジスタ４３とゲートスイッチ３５の制御端子とは、行毎に接続されていることになる。
【００３１】
光感応部３１に配列されたフォトダイオード３３の列間には、さらに、上記ゲートスイッチ３５の他端が列毎に電気的に接続されたＮ本の信号読み出しライン（第１の配線；信号線）５３が設けられている。当該Ｎ本の信号読み出しライン５３は、増幅部５１に電気的に接続されている。増幅部５１は、チャージアンプ５５、読み出しスイッチ（第２のスイッチ群を構成するスイッチ）５７及び水平シフトレジスタ５９等を含み、半導体基板１２上であって、光感応部３１におけるシフトレジスタ部４１が面して形成された一辺に隣接する一辺に面して形成されている。
【００３２】
チャージアンプ５５は、信号読み出しライン５３毎に設けられており、信号読み出しライン５３に読み出された電荷量（電流出力）を増幅する。読み出しスイッチ５７は、信号読み出しライン５３毎に設けられるとともにフォトダイオード３３から読み出された電荷量（電流出力）を信号出力ライン６０に出力する。水平シフトレジスタ５９は、読み出しスイッチ５７を開閉させるための水平走査信号を出力する。
【００３３】
半導体基板１２には、図２及び図３に示されるように、それぞれの増幅部５１と電気的に接続されて形成されたボンディングパッド部６１が複数形成されている。これらのボンディングパッド部６１は、ボンディングワイヤ６３により、マウント基板２３に形成されたボンディングパッド部６５に電気的に接続されている。これにより、増幅部５１からの出力は、マウント基板２３を通して撮像装置１の外部に送られることとなる。また、半導体基板１２には、それぞれのシフトレジスタ部４１と電気的に接続されて形成されたボンディングパッド部６７が複数形成されている（特に、図３参照）。これらのボンディングパッド部６７は、ボンディングワイヤ（図示せず）により、マウント基板２３に形成されたボンディングパッド部６９に電気的に接続されている。これにより、撮像装置１の外部からの信号は、マウント基板２３を通してシフトレジスタ部４１に送られることとなる。
【００３４】
シンチレータ２１は、入射した放射線（例えば、Ｘ線）を可視光に変換するもので、柱状構造を呈している。シンチレータ２１は、図３にも示されるように、半導体基板１２の一方面における光感応部３１、シフトレジスタ部４１及び増幅部５１が形成された領域を覆うように、当該領域上に直接形成されている。これにより、シンチレータ２１は、半導体基板１２の一方面における光感応部３１、シフトレジスタ部４１及び増幅部５１が形成された領域に接触して配置されることとなる。なお、半導体基板１２の一方面におけるボンディングパッド部６１，６７が形成された領域は、シンチレータ２１にて覆われておらず、露出している。
【００３５】
シンチレータ２１には、各種の材料を用いることができるが、発光効率が良いＴｌドープのＣｓＩ等が好ましい。シンチレータ２１の上には、シンチレータ２１の柱状構造を覆ってその間隙まで入り込み、シンチレータ２１を密閉する保護膜（図示せず）が形成されている。保護膜は、放射線を透過し、水蒸気を遮断する材料、例えばポリパラキシリレン樹脂（スリーボンド社製、商品名パリレン）、特にポリパラクロロキシリレン（同社製、商品名パリレンＣ）を用いることが好ましい。本実施形態においては、シンチレータ２１の厚みは、３００μｍ程度である。
【００３６】
シンチレータ２１は、蒸着法により、ＣｓＩの柱状結晶を成長させることで形成することができる。また、保護膜は、ＣＶＤ法により形成することができる。なお、シンチレータ２１及び保護膜の形成方法については、本願出願人による国際公開ＷＯ９８／３６２９０号パンフレット等において詳細に開示されており、ここでの説明を省略する。
【００３７】
枠体２５は、固体撮像素子１１を囲むようにマウント基板２３上に固定されている。枠体２５には、光感応部３１に対応する位置に、矩形形状の開口２７が形成されており、放射線がこの開口２７を通ってシンチレータ２１に入射することとなる。枠体２５と、半導体基板１２及びマウント基板２３との間には空間Ｓが形成されている。空間Ｓ内には、固体撮像素子１１のシフトレジスタ部４１及び増幅部５１、ボンディングパッド部６１，６５、ボンディングワイヤ６３等が位置する。このように、ボンディングワイヤ６３は、枠体２５と、半導体基板１２及びマウント基板２３とで画成される空間Ｓ内に配設されているので、当該ボンディングワイヤ６３は枠体２５によって押さえつけられることなく、外部からの物理的応力から保護される。また、枠体２５には、その増幅部５１側とは反対側に放射線遮蔽性の材料（例えば、鉛等）からなる遮蔽材２９が設けられており、この遮蔽材２９にて放射線を十分に遮蔽している。本実施形態おいては、遮蔽材２９の厚みは２．５ｍｍ程度である。
【００３８】
次に、図５〜図９に基づいて、光感応部３１の構成について説明する。図５は、光感応部を示す平面図である。図６は図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面構成を説明するための概略図であり、図７は図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面構成を説明するための概略図であり、図８は図５のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面構成を説明するための概略図であり、図９は図５のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面構成を説明するための概略図である。なお、図５においては、第１〜第４絶縁層１３，１５〜１７、ゲートスイッチ３５の図示を省略している。
【００３９】
半導体基板１２は、図６〜図９に示されるように、Ｐ＋型半導体基板１２ａを含み、このＰ＋型半導体基板１２ａ上にＰ−型エピタキシャル半導体層１２ｂとＰ−型ウエル層１２ｃが形成されている。Ｐ＋型半導体基板１２ａは、接地電位とされている。なお、この固体撮像素子１１は、半導体としてＳｉを用いるものであり、「高濃度」とは不純物濃度が１×１０１７／ｃｍ３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示し、「低濃度」とは不純物濃度が１×１０１５／ｃｍ３程度以下であって「−」を導電型に付けて示すものとする。
【００４０】
Ｐ−型ウエル層１２ｃの表面側には、Ｎ＋型半導体領域１２ｄが形成されており、このＮ＋型半導体（Ｎ＋型半導体領域１２ｄ）とＰ−型半導体（Ｐ−型ウエル層１２ｃ）とのｐｎ接合によりフォトダイオード（光電変換素子）３３が構成されることとなる。Ｎ＋型半導体領域１２ｄは、図５に示されるように、光入射方向から見て矩形形状を呈しており、Ｍ行Ｎ列に２次元配列されている。これにより、光感応部３１においては、フォトダイオード３３がＭ行Ｎ列に２次元配列されることとなる。本実施形態では、Ｎ＋型半導体領域１２ｄの一辺の長さは５０μｍ程度に設定されている。
【００４１】
また、Ｐ−型ウエル層１２ｃの表面側には、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間に、Ｐ＋型半導体からなるアイソレーション領域１２ｅが形成されている。このアイソレーション領域１２ｅは、図５に示されるように、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間を行方向及び列方向に沿って延びており、光入射方向から見て格子形状を呈している。
【００４２】
Ｐ−型ウエル層１２ｃ、Ｎ＋型半導体領域１２ｄ、アイソレーション領域１２ｅの上には第１絶縁層（例えば、シリコン酸化膜からなる）１３が形成され、この第１絶縁層１３に形成されたスルーホールを介して金属（例えば、アルミニウムからなる）配線（導電性部材）１４がアイソレーション領域１２ｅに電気的に接続されている。この金属配線１４は、図５に示されるように、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間を行方向及び列方向に沿って延びて設けられており、光入射方向から見て格子形状を呈している。金属配線１４は接地されており、アイソレーション領域１２ｅは接地電位とされる。なお、金属配線１４は、接地する代わりに、固定電位に接続してもよい。
【００４３】
金属配線１４の幅は、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄ間の距離よりも大きく設定されており、金属配線１４は、その一部が光入射方向から見てＮ＋型半導体領域１２ｄの端部と重なっている。すなわち、金属配線１４は、その端部が半導体基板１２（Ｐ−型ウエル層１２ｃ）の光入射面（一方面）に露出するｐｎ接合部分（Ｐ−型ウエル層１２ｃとＮ＋型半導体領域１２ｄとの界面）を覆うように当該ｐｎ接合部分の上方に設けられている。
【００４４】
なお、金属配線１４は、図１０に示されるように、ｐｎ接合部分（Ｐ−型ウエル層１２ｃとＮ＋型半導体領域１２ｄとの界面部分）に形成される空乏層１２ｆを覆うように設けることが好ましい。空乏層１２ｆの大きさ（幅）は、Ｐ−型ウエル層１２ｃにおける不純物濃度、Ｎ＋型半導体領域１２ｄにおける不純物濃度、印加電圧等により左右される。このため、金属配線１４の幅、すなわちｐｎ接合部分を覆うためにＮ＋型半導体領域１２ｄと重なる部分の幅は、これらの要因を考慮して設定する必要がある。本実施形態においては、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄ間の距離は、４μｍ程度であり、金属配線１４の幅は、５μｍ程度である。
【００４５】
第１絶縁層１３の上には第２絶縁層（例えば、シリコン酸化膜からなる）１５が形成されている。この第２絶縁層１５の上には、上記ゲートライン４５及び第３絶縁層（例えば、シリコン酸化膜からなる）１６が形成されている。ゲートライン４５は、アルミニウム等の金属からなり、図５、図７及び図８に示されるように、光入射方向から見て金属配線１４の上方に位置し、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間を行方向に沿って延びて設けられている。
【００４６】
第３絶縁層１６の上には、上記信号読み出しライン５３及び第４絶縁層（例えば、シリコン酸化膜からなる）１７が形成されている。信号読み出しライン５３は、アルミニウム等の金属からなり、図５及び図６に示されるように、光入射方向から見てＮ＋型半導体領域１２ｄの上方に位置し、列方向に沿って延びて設けられている。本実施形態では、信号読み出しライン５３の幅は０．５μｍ程度に設定されている。また、信号読み出しライン５３は、Ｎ＋型半導体領域１２ｄの一辺から１〜２μｍ程度Ｎ＋型半導体領域１２ｄ上にずれて配置されている。
【００４７】
以上のように、本実施形態によれば、少なくとも半導体基板１２の一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように設けられた金属配線１４が接地されているので、フォトダイオード３３以外の領域（第１絶縁層１３）で発生した電荷がｐｎ接合部分に蓄積されることなく、金属配線１４を通って外部に排出されることとなる。このため、ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生が抑制され、ＳＮ比が劣化するのを防止することができる。
【００４８】
本実施形態においては、金属配線１４が、光感応部３１への光入射方向から見て格子形状を呈しており、半導体基板１２の一方面に露出するｐｎ接合部分及び隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間の部分を覆うように設けられている。これにより、フォトダイオード３３以外の領域で発生した電荷を外部に排出し、当該ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生を確実に抑制し得る構成の導電性部材を簡易且つ容易に実現できる。
【００４９】
また、本実施形態においては、光感応部３１が、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄ間に形成されたアイソレーション領域１２ｅを含み、金属配線１４は、アイソレーション領域１２ｅに電気的に接続されている。これにより、フォトダイオード３３以外の領域で発生した電荷を外部に排出するための導電性部材と、アイソレーション領域１２ｅを接地するための導電性部材とを共通化でき、構造が複雑化するのを防止できる。
【００５０】
また、本実施形態においては、ゲートライン４５が、金属配線１４の上方に位置して設けられている。これにより、垂直走査信号を各ゲートスイッチ３５の制御端子に入力する際にゲートライン４５における供給電圧の変化（ＨレベルとＬベルの切り替え）に伴って発生するノイズが金属配線１４によりシールドされることとなる。この結果、当該ノイズがフォトダイオード３３の出力に重畳されてしまうのを防止することができる。
【００５１】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。本実施形態においては、アイソレーション領域１２ｅを接地するための金属配線１４により、フォトダイオード３３以外の領域で発生した電荷を外部に排出するように構成しているが、これに限られるものではない。例えば、図１１に示されるように、アイソレーション領域１２ｅを接地するための金属配線１４とは別に、導電性部材７１（例えば、アルミニウム配線）を、少なくとも半導体基板１２の一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように設け、当該導電性部材７１によりフォトダイオード３３以外の領域で発生した電荷を外部に排出する構成としてもよい。また、図１２に示されるように、第１絶縁層１３中にポリシリコンからなる導電性部材７３を少なくとも半導体基板１２の一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように設け、この導電性部材７３によりフォトダイオード３３以外の領域で発生した電荷を外部に排出する構成としてもよい。
【００５２】
また、本実施形態においては、シンチレータ２１を半導体基板１２上に直接形成するようにしているが、これに限られるものではない。例えば、放射線透過性基板上にシンチレータを形成したシンチレータ基板を用い、半導体基板１２の一方面における光感応部３１、シフトレジスタ部４１及び増幅部５１が形成された領域とシンチレータとが接触するように、シンチレータ基板を配置した構成としてもよい。なお、シンチレータの上に保護膜が形成されている場合には、上記光感応部３１、シフトレジスタ部４１及び増幅部５１が形成された領域と保護膜とが接触するようになる。
【００５３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生を抑制して、ＳＮ比が劣化するのを防止することが可能な固体撮像装置及び放射線撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る放射線撮像装置の断面構成を説明するための概略図である。
【図２】本実施形態に係る放射線撮像装置の断面構成を説明するための概略図である。
【図３】本実施形態に係る放射線撮像装置を示す平面図である。
【図４】本実施形態に係る放射線撮像装置を示す構成図である。
【図５】本実施形態に係る放射線撮像装置の固体撮像素子に含まれる光感応部を示す平面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面構成を説明するための概略図である。
【図７】図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面構成を説明するための概略図である。
【図８】図５のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面構成を説明するための概略図である。
【図９】図５のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面構成を説明するための概略図である。
【図１０】本実施形態に係る放射線撮像装置の固体撮像素子に含まれる光感応部の断面構成を説明するための概略図である。
【図１１】本実施形態に係る放射線撮像装置の変形例における断面構成を説明するための概略図である。
【図１２】本実施形態に係る放射線撮像装置の変形例における断面構成を説明するための概略図である。
【符号の説明】
１…放射線撮像装置、１１…固体撮像素子、１２…半導体基板、１２ｃ…Ｐ−型ウエル層、１２ｄ…Ｎ＋型半導体領域、１２ｅ…アイソレーション領域、１３…第１絶縁層、１４…金属配線、２１…シンチレータ、２３…マウント基板、３１…光感応部、３３…フォトダイオード、３５…ゲートスイッチ、４１…シフトレジスタ部、４３…垂直シフトレジスタ、４５…ゲートライン、５１…増幅部、５３…信号読み出しライン、５５…チャージアンプ、５７…読み出しスイッチ、５９…水平シフトレジスタ、６０…信号出力ライン、７１，７３…導電性部材。
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置及び放射線撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の放射線撮像装置として、ファイバオプティカルプレート（以下、ＦＯＰと称する）と、このＦＯＰの一方の表面に設けられたシンチレータと、ＦＯＰの他方の表面に対向して設けられたＭＯＳ型イメージセンサと、を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、光電変換を行う光検出器が１次元又は２次元に配列された光検出器アレイと、光検出器の光入射面上に直接形成されたシンチレータと、を備えた放射線撮像装置も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２８７３５号公報
【特許文献２】
国際公開ＷＯ９８／３６２９０号パンフレット
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に開示されたような撮像装置では、ＦＯＰ自体の大面積化が不可能であるために、撮像面の大面積化は困難であった。このため、上記特許文献２に開示されているように、ＦＯＰを用いることなく、光検出器の光入射面上にシンチレータを直接形成する手法が考えられる。また、光検出器の光入射面上にシンチレータを直接形成するのではなく、支持体上にシンチレータを形成し、光検出器の光入射面とシンチレータとを密着させる手法も考えられる。
【０００６】
しかしながら、ＦＯＰを用いない構成とした場合、ＳＮ比が劣化するという新たな問題点が発生するようになった。発明者等の調査研究の結果、以下の事実が新たに判明した。ＦＯＰが存在する場合には、シンチレータにて光に変換されなかった放射線は、ＦＯＰに含まれる鉛により遮蔽される。ところが、ＦＯＰが存在しない場合には、シンチレータにて光に変換されなかった放射線が、ＭＯＳ型イメージセンサに直接入射し、フォトダイオード以外の領域、例えばＭＯＳ型イメージセンサの表面保護膜である表面酸化膜（シリコン酸化膜等）中で電荷が発生することとなる。発生した電荷はｐｎ接合部分に蓄積（チャージアップ）し、これによりフォトダイオードの端部であるｐｎ接合部分において電荷の界面リークが起こり、リーク電流が発生する。このリーク電流はフォトダイオードからの電流出力に重畳され、ＳＮ比が劣化してしまう。
【０００７】
本発明は、ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生を抑制して、ＳＮ比が劣化するのを防止することが可能な固体撮像装置及び放射線撮像装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像装置は、第１導電型の半導体基板と、当該半導体基板の一方面側に２次元状に配列されて形成された複数の第２導電型半導体領域とを含み、半導体基板と各第２導電型半導体領域とのｐｎ接合によりそれぞれがフォトダイオードとして機能する光感応部と、少なくとも半導体基板の一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように設けられた導電性部材と、を有し、導電性部材は、固定電位に接続されている、若しくは接地されていることを特徴としている。
【０００９】
本発明に係る固体撮像装置では、少なくとも半導体基板の一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように設けられた導電性部材が固定電位に接続されている、若しくは接地されているので、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷がｐｎ接合部分に蓄積されることなく、導電性部材を通って外部に排出されることとなる。このため、ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生が抑制され、ＳＮ比が劣化するのを防止することができる。
【００１０】
また、導電性部材は、光感応部への光入射方向から見て格子形状を呈しており、半導体基板の一方面に露出するｐｎ接合部分及び隣接する第２導電型半導体領域の間の部分を覆うように設けられていることが好ましい。このように構成した場合、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷を外部に排出し、当該ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生を確実に抑制し得る構成の導電性部材を簡易且つ容易に実現できる。
【００１１】
また、光感応部は、隣接する第２導電型半導体領域間に形成されたアイソレーション領域を更に含み、導電性部材は、アイソレーション領域に電気的に接続されていることが好ましい。このように構成した場合、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷を外部に排出するための導電性部材と、アイソレーション領域を固定電位に接続する若しくは接地するための導電性部材とを共通化でき、構造が複雑化するのを防止できる。
【００１２】
また、フォトダイオードに電気的に接続され、当該フォトダイオードの出力を読み出すための信号線と、複数のフォトダイオードの列毎に各フォトダイオードと信号線との間の電気的な接続及び遮断を制御する複数のスイッチからなるスイッチ群と、スイッチ群を構成する各スイッチの制御端子に接続され、当該各スイッチを複数のフォトダイオードの行毎に遮断あるいは導通させる走査信号を制御端子に入力する配線と、を更に有し、配線は、導電性部材の上方に位置して設けられていることが好ましい。このように構成した場合、走査信号を制御端子に入力する際に配線における供給電圧の変化に伴って発生するノイズが導電性部材によりシールドされ、当該ノイズがフォトダイオードの出力に重畳されてしまうのを防止することができる。
【００１３】
本発明に係る固体撮像装置は、第１導電型の半導体基板と、当該半導体基板の一方面側にＭ行Ｎ列に配列されて形成された複数の第２導電型半導体領域とを含み、半導体基板と各第２導電型半導体領域とのｐｎ接合によりそれぞれがフォトダイオードとして機能する光感応部と、列毎に設けられた第１の配線と、列毎に各フォトダイオードと第１の配線とを接続する複数のスイッチからなる第１のスイッチ群と、第１のスイッチ群を構成する各スイッチを行毎に開閉させる垂直走査信号を出力する垂直シフトレジスタと、第１のスイッチ群を構成する各スイッチの制御端子と垂直シフトレジスタとを行毎に接続する第２の配線と、第１の配線それぞれと信号出力線とを接続する複数のスイッチからなる第２のスイッチ群と、第２のスイッチ群を構成する各スイッチを列毎に開閉させる水平走査信号を出力する水平シフトレジスタと、少なくとも半導体基板の一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように設けられた導電性部材と、を有しており、導電性部材は、固定電位に接続されている、若しくは接地されていることを特徴としている。
【００１４】
本発明に係る固体撮像装置では、少なくとも半導体基板の一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように設けられた導電性部材が固定電位に接続されている、若しくは接地されているので、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷がｐｎ接合部分に蓄積されることなく、導電性部材を通って外部に排出されることとなる。このため、ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生が抑制され、ＳＮ比が劣化するのを防止することができる。
【００１５】
また、導電性部材は、光感応部への光入射方向から見て格子形状を呈しており、半導体基板の一方面に露出するｐｎ接合部分及び隣接する第２導電型半導体領域の間の部分を覆うように設けられていることが好ましい。このように構成した場合、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷を外部に排出し、当該ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生を確実に抑制し得る構成の導電性部材を簡易且つ容易に実現できる。
【００１６】
また、光感応部は、隣接する第２導電型半導体領域間に形成されたアイソレーション領域を更に含み、導電性部材は、アイソレーション領域に電気的に接続されていることが好ましい。このように構成した場合、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷を外部に排出するための導電性部材と、アイソレーション領域を固定電位に接続する若しくは接地するための導電性部材とを共通化でき、構造が複雑化するのを防止できる。
【００１７】
また、第２の配線は、導電性部材の上方に位置して設けられていることが好ましい。このように構成した場合、走査信号を制御端子に入力する際の第２の配線における供給電圧の変化に伴って発生するノイズが導電性部材によりシールドされ、当該ノイズがフォトダイオードの出力に重畳されてしまうのを防止することができる。
【００１８】
また、本発明に係る固体撮像装置は、第１導電型の半導体基板と、当該半導体基板の一方面側に２次元状に配列されて形成された複数の第２導電型半導体領域とを含み、半導体基板と各第２導電型半導体領域とのｐｎ接合によりそれぞれがフォトダイオードとして機能する光感応部と、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷を外部に排出するための導電性部材と、を有していることを特徴とする固体撮像装置。
【００１９】
本発明に係る固体撮像装置では、少なくとも半導体基板の一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように設けられた導電性部材が固定電位に接続されている、若しくは接地されているので、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷がｐｎ接合部分に蓄積されることなく、導電性部材を通って外部に排出されることとなる。このため、ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生が抑制され、ＳＮ比が劣化するのを防止することができる。
【００２０】
また、導電性部材は、少なくとも半導体基板の一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように当該ｐｎ接合部分の上方に設けられており、固定電位に接続されている若しくは接地されていることが好ましい。このように構成した場合、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷を外部に排出し得る構成の導電性部材を簡易且つ容易に実現できる。
【００２１】
本発明に係る放射線撮像装置は、上記固体撮像装置と、複数のフォトダイオードを覆うように設けられ、放射線を可視光に変換するシンチレータと、を有することを特徴としている。
【００２２】
本発明に係る放射線撮像装置では、上述したように、フォトダイオード以外の領域で発生した電荷がｐｎ接合部分に蓄積されることなく、導電性部材を通って外部に排出されるので、ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生が抑制され、ＳＮ比が劣化するのを防止することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。本実施形態に係る放射線撮像装置は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置（固体撮像素子）を含んでいる。
【００２４】
図１及び図２は、本実施形態に係る放射線撮像装置の断面構成を説明するための概略図であり、図３は、本実施形態に係る放射線撮像装置を示す平面図である。図４は、本実施形態に係る放射線撮像装置を示す構成図である。なお、図３では、ボンディングワイヤの図示を省略している。
【００２５】
本実施形態の放射線撮像装置１は、図１〜図３に示されるように、固体撮像素子１１、シンチレータ２１、マウント基板２３、枠体２５等を備えている。
【００２６】
固体撮像素子１１は、ＭＯＳ型イメージセンサであって、半導体基板１２の一方面側に形成された、光感応部３１、シフトレジスタ部４１及び増幅部５１を有している。このように、光感応部３１、シフトレジスタ部４１及び増幅部５１は、同一基板（半導体基板１２）に形成されている。半導体基板１２（固体撮像素子１１）は、マウント基板２３上に固定されている。本実施形態においては、半導体基板１２の面積は、１６９００ｍｍ２（＝１３０ｍｍ×１３０ｍｍ）程度であり、光感応部３１の面積は、１５６２５ｍｍ２（＝１２５ｍｍ×１２５ｍｍ）程度である。
【００２７】
光感応部３１は、図４に示されるように、光の入射強度に応じた電荷量を蓄積するフォトダイオード（光電変換素子）３３を半導体基板１２上に複数個配列して構成される。より具体的には、ｙ軸方向にＭ行、ｘ軸方向にＮ列（Ｍ，Ｎは自然数）に配列されたＭ×Ｎ個のフォトダイオード３３によって光感応部３１が構成される。なお、図４においては、Ｍ及びＮが「４」に設定されている。
【００２８】
光感応部３１を構成するフォトダイオード３３のそれぞれには、一端が当該フォトダイオード３３に電気的に接続され、他端が後述の信号読み出しラインに電気的に接続されたゲートスイッチ（第１のスイッチ群を構成するスイッチ）３５が設けられている。従って、ゲートスイッチ３５が開のときには、フォトダイオード３３への光の入射に伴って電荷が蓄積され、ゲートスイッチ３５が閉になるとフォトダイオード３３に蓄積された電荷が後述の信号読み出しラインに読み出される。なお、ゲートスイッチ３５は、ＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）にて構成することができる。
【００２９】
シフトレジスタ部４１は、垂直シフトレジスタ４３を含み、半導体基板１２上であって、光感応部３１の一辺に面して形成されている。この垂直シフトレジスタ４３は、ゲートスイッチ３５を開閉させるための垂直走査信号を出力する。この垂直走査信号は、ハイ（Ｈ）レベルとロウ（Ｌ）レベルの２種類の駆動電圧を含んでおり、これらの駆動電圧の差は数Ｖ程度である。
【００３０】
各ゲートスイッチ３５の制御端子と垂直シフトレジスタ４３とは、ゲートライン（第２の配線；配線）４５によって電気的に接続されており、垂直シフトレジスタ４３から出力された垂直走査信号によって各ゲートスイッチ３５を開閉させることができるようになっている。ゲートライン４５は、具体的には、光感応部３１に配列されたフォトダイオード３３の行間を縫ってｘ軸方向に延線されており、同一行に存在する各ゲートスイッチ３５の制御端子に接続されている。従って、垂直シフトレジスタ４３とゲートスイッチ３５の制御端子とは、行毎に接続されていることになる。
【００３１】
光感応部３１に配列されたフォトダイオード３３の列間には、さらに、上記ゲートスイッチ３５の他端が列毎に電気的に接続されたＮ本の信号読み出しライン（第１の配線；信号線）５３が設けられている。当該Ｎ本の信号読み出しライン５３は、増幅部５１に電気的に接続されている。増幅部５１は、チャージアンプ５５、読み出しスイッチ（第２のスイッチ群を構成するスイッチ）５７及び水平シフトレジスタ５９等を含み、半導体基板１２上であって、光感応部３１におけるシフトレジスタ部４１が面して形成された一辺に隣接する一辺に面して形成されている。
【００３２】
チャージアンプ５５は、信号読み出しライン５３毎に設けられており、信号読み出しライン５３に読み出された電荷量（電流出力）を増幅する。読み出しスイッチ５７は、信号読み出しライン５３毎に設けられるとともにフォトダイオード３３から読み出された電荷量（電流出力）を信号出力ライン６０に出力する。水平シフトレジスタ５９は、読み出しスイッチ５７を開閉させるための水平走査信号を出力する。
【００３３】
半導体基板１２には、図２及び図３に示されるように、それぞれの増幅部５１と電気的に接続されて形成されたボンディングパッド部６１が複数形成されている。これらのボンディングパッド部６１は、ボンディングワイヤ６３により、マウント基板２３に形成されたボンディングパッド部６５に電気的に接続されている。これにより、増幅部５１からの出力は、マウント基板２３を通して撮像装置１の外部に送られることとなる。また、半導体基板１２には、それぞれのシフトレジスタ部４１と電気的に接続されて形成されたボンディングパッド部６７が複数形成されている（特に、図３参照）。これらのボンディングパッド部６７は、ボンディングワイヤ（図示せず）により、マウント基板２３に形成されたボンディングパッド部６９に電気的に接続されている。これにより、撮像装置１の外部からの信号は、マウント基板２３を通してシフトレジスタ部４１に送られることとなる。
【００３４】
シンチレータ２１は、入射した放射線（例えば、Ｘ線）を可視光に変換するもので、柱状構造を呈している。シンチレータ２１は、図３にも示されるように、半導体基板１２の一方面における光感応部３１、シフトレジスタ部４１及び増幅部５１が形成された領域を覆うように、当該領域上に直接形成されている。これにより、シンチレータ２１は、半導体基板１２の一方面における光感応部３１、シフトレジスタ部４１及び増幅部５１が形成された領域に接触して配置されることとなる。なお、半導体基板１２の一方面におけるボンディングパッド部６１，６７が形成された領域は、シンチレータ２１にて覆われておらず、露出している。
【００３５】
シンチレータ２１には、各種の材料を用いることができるが、発光効率が良いＴｌドープのＣｓＩ等が好ましい。シンチレータ２１の上には、シンチレータ２１の柱状構造を覆ってその間隙まで入り込み、シンチレータ２１を密閉する保護膜（図示せず）が形成されている。保護膜は、放射線を透過し、水蒸気を遮断する材料、例えばポリパラキシリレン樹脂（スリーボンド社製、商品名パリレン）、特にポリパラクロロキシリレン（同社製、商品名パリレンＣ）を用いることが好ましい。本実施形態においては、シンチレータ２１の厚みは、３００μｍ程度である。
【００３６】
シンチレータ２１は、蒸着法により、ＣｓＩの柱状結晶を成長させることで形成することができる。また、保護膜は、ＣＶＤ法により形成することができる。なお、シンチレータ２１及び保護膜の形成方法については、本願出願人による国際公開ＷＯ９８／３６２９０号パンフレット等において詳細に開示されており、ここでの説明を省略する。
【００３７】
枠体２５は、固体撮像素子１１を囲むようにマウント基板２３上に固定されている。枠体２５には、光感応部３１に対応する位置に、矩形形状の開口２７が形成されており、放射線がこの開口２７を通ってシンチレータ２１に入射することとなる。枠体２５と、半導体基板１２及びマウント基板２３との間には空間Ｓが形成されている。空間Ｓ内には、固体撮像素子１１のシフトレジスタ部４１及び増幅部５１、ボンディングパッド部６１，６５、ボンディングワイヤ６３等が位置する。このように、ボンディングワイヤ６３は、枠体２５と、半導体基板１２及びマウント基板２３とで画成される空間Ｓ内に配設されているので、当該ボンディングワイヤ６３は枠体２５によって押さえつけられることなく、外部からの物理的応力から保護される。また、枠体２５には、その増幅部５１側とは反対側に放射線遮蔽性の材料（例えば、鉛等）からなる遮蔽材２９が設けられており、この遮蔽材２９にて放射線を十分に遮蔽している。本実施形態おいては、遮蔽材２９の厚みは２．５ｍｍ程度である。
【００３８】
次に、図５〜図９に基づいて、光感応部３１の構成について説明する。図５は、光感応部を示す平面図である。図６は図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面構成を説明するための概略図であり、図７は図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面構成を説明するための概略図であり、図８は図５のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面構成を説明するための概略図であり、図９は図５のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面構成を説明するための概略図である。なお、図５においては、第１〜第４絶縁層１３，１５〜１７、ゲートスイッチ３５の図示を省略している。
【００３９】
半導体基板１２は、図６〜図９に示されるように、Ｐ＋型半導体基板１２ａを含み、このＰ＋型半導体基板１２ａ上にＰ−型エピタキシャル半導体層１２ｂとＰ−型ウエル層１２ｃが形成されている。Ｐ＋型半導体基板１２ａは、接地電位とされている。なお、この固体撮像素子１１は、半導体としてＳｉを用いるものであり、「高濃度」とは不純物濃度が１×１０１７／ｃｍ３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示し、「低濃度」とは不純物濃度が１×１０１５／ｃｍ３程度以下であって「−」を導電型に付けて示すものとする。
【００４０】
Ｐ−型ウエル層１２ｃの表面側には、Ｎ＋型半導体領域１２ｄが形成されており、このＮ＋型半導体（Ｎ＋型半導体領域１２ｄ）とＰ−型半導体（Ｐ−型ウエル層１２ｃ）とのｐｎ接合によりフォトダイオード（光電変換素子）３３が構成されることとなる。Ｎ＋型半導体領域１２ｄは、図５に示されるように、光入射方向から見て矩形形状を呈しており、Ｍ行Ｎ列に２次元配列されている。これにより、光感応部３１においては、フォトダイオード３３がＭ行Ｎ列に２次元配列されることとなる。本実施形態では、Ｎ＋型半導体領域１２ｄの一辺の長さは５０μｍ程度に設定されている。
【００４１】
また、Ｐ−型ウエル層１２ｃの表面側には、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間に、Ｐ＋型半導体からなるアイソレーション領域１２ｅが形成されている。このアイソレーション領域１２ｅは、図５に示されるように、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間を行方向及び列方向に沿って延びており、光入射方向から見て格子形状を呈している。
【００４２】
Ｐ−型ウエル層１２ｃ、Ｎ＋型半導体領域１２ｄ、アイソレーション領域１２ｅの上には第１絶縁層（例えば、シリコン酸化膜からなる）１３が形成され、この第１絶縁層１３に形成されたスルーホールを介して金属（例えば、アルミニウムからなる）配線（導電性部材）１４がアイソレーション領域１２ｅに電気的に接続されている。この金属配線１４は、図５に示されるように、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間を行方向及び列方向に沿って延びて設けられており、光入射方向から見て格子形状を呈している。金属配線１４は接地されており、アイソレーション領域１２ｅは接地電位とされる。なお、金属配線１４は、接地する代わりに、固定電位に接続してもよい。
【００４３】
金属配線１４の幅は、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄ間の距離よりも大きく設定されており、金属配線１４は、その一部が光入射方向から見てＮ＋型半導体領域１２ｄの端部と重なっている。すなわち、金属配線１４は、その端部が半導体基板１２（Ｐ−型ウエル層１２ｃ）の光入射面（一方面）に露出するｐｎ接合部分（Ｐ−型ウエル層１２ｃとＮ＋型半導体領域１２ｄとの界面）を覆うように当該ｐｎ接合部分の上方に設けられている。
【００４４】
なお、金属配線１４は、図１０に示されるように、ｐｎ接合部分（Ｐ−型ウエル層１２ｃとＮ＋型半導体領域１２ｄとの界面部分）に形成される空乏層１２ｆを覆うように設けることが好ましい。空乏層１２ｆの大きさ（幅）は、Ｐ−型ウエル層１２ｃにおける不純物濃度、Ｎ＋型半導体領域１２ｄにおける不純物濃度、印加電圧等により左右される。このため、金属配線１４の幅、すなわちｐｎ接合部分を覆うためにＮ＋型半導体領域１２ｄと重なる部分の幅は、これらの要因を考慮して設定する必要がある。本実施形態においては、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄ間の距離は、４μｍ程度であり、金属配線１４の幅は、５μｍ程度である。
【００４５】
第１絶縁層１３の上には第２絶縁層（例えば、シリコン酸化膜からなる）１５が形成されている。この第２絶縁層１５の上には、上記ゲートライン４５及び第３絶縁層（例えば、シリコン酸化膜からなる）１６が形成されている。ゲートライン４５は、アルミニウム等の金属からなり、図５、図７及び図８に示されるように、光入射方向から見て金属配線１４の上方に位置し、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間を行方向に沿って延びて設けられている。
【００４６】
第３絶縁層１６の上には、上記信号読み出しライン５３及び第４絶縁層（例えば、シリコン酸化膜からなる）１７が形成されている。信号読み出しライン５３は、アルミニウム等の金属からなり、図５及び図６に示されるように、光入射方向から見てＮ＋型半導体領域１２ｄの上方に位置し、列方向に沿って延びて設けられている。本実施形態では、信号読み出しライン５３の幅は０．５μｍ程度に設定されている。また、信号読み出しライン５３は、Ｎ＋型半導体領域１２ｄの一辺から１〜２μｍ程度Ｎ＋型半導体領域１２ｄ上にずれて配置されている。
【００４７】
以上のように、本実施形態によれば、少なくとも半導体基板１２の一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように設けられた金属配線１４が接地されているので、フォトダイオード３３以外の領域（第１絶縁層１３）で発生した電荷がｐｎ接合部分に蓄積されることなく、金属配線１４を通って外部に排出されることとなる。このため、ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生が抑制され、ＳＮ比が劣化するのを防止することができる。
【００４８】
本実施形態においては、金属配線１４が、光感応部３１への光入射方向から見て格子形状を呈しており、半導体基板１２の一方面に露出するｐｎ接合部分及び隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間の部分を覆うように設けられている。これにより、フォトダイオード３３以外の領域で発生した電荷を外部に排出し、当該ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生を確実に抑制し得る構成の導電性部材を簡易且つ容易に実現できる。
【００４９】
また、本実施形態においては、光感応部３１が、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄ間に形成されたアイソレーション領域１２ｅを含み、金属配線１４は、アイソレーション領域１２ｅに電気的に接続されている。これにより、フォトダイオード３３以外の領域で発生した電荷を外部に排出するための導電性部材と、アイソレーション領域１２ｅを接地するための導電性部材とを共通化でき、構造が複雑化するのを防止できる。
【００５０】
また、本実施形態においては、ゲートライン４５が、金属配線１４の上方に位置して設けられている。これにより、垂直走査信号を各ゲートスイッチ３５の制御端子に入力する際にゲートライン４５における供給電圧の変化（ＨレベルとＬベルの切り替え）に伴って発生するノイズが金属配線１４によりシールドされることとなる。この結果、当該ノイズがフォトダイオード３３の出力に重畳されてしまうのを防止することができる。
【００５１】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。本実施形態においては、アイソレーション領域１２ｅを接地するための金属配線１４により、フォトダイオード３３以外の領域で発生した電荷を外部に排出するように構成しているが、これに限られるものではない。例えば、図１１に示されるように、アイソレーション領域１２ｅを接地するための金属配線１４とは別に、導電性部材７１（例えば、アルミニウム配線）を、少なくとも半導体基板１２の一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように設け、当該導電性部材７１によりフォトダイオード３３以外の領域で発生した電荷を外部に排出する構成としてもよい。また、図１２に示されるように、第１絶縁層１３中にポリシリコンからなる導電性部材７３を少なくとも半導体基板１２の一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように設け、この導電性部材７３によりフォトダイオード３３以外の領域で発生した電荷を外部に排出する構成としてもよい。
【００５２】
また、本実施形態においては、シンチレータ２１を半導体基板１２上に直接形成するようにしているが、これに限られるものではない。例えば、放射線透過性基板上にシンチレータを形成したシンチレータ基板を用い、半導体基板１２の一方面における光感応部３１、シフトレジスタ部４１及び増幅部５１が形成された領域とシンチレータとが接触するように、シンチレータ基板を配置した構成としてもよい。なお、シンチレータの上に保護膜が形成されている場合には、上記光感応部３１、シフトレジスタ部４１及び増幅部５１が形成された領域と保護膜とが接触するようになる。
【００５３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、ｐｎ接合部分における電荷の界面リークの発生を抑制して、ＳＮ比が劣化するのを防止することが可能な固体撮像装置及び放射線撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る放射線撮像装置の断面構成を説明するための概略図である。
【図２】本実施形態に係る放射線撮像装置の断面構成を説明するための概略図である。
【図３】本実施形態に係る放射線撮像装置を示す平面図である。
【図４】本実施形態に係る放射線撮像装置を示す構成図である。
【図５】本実施形態に係る放射線撮像装置の固体撮像素子に含まれる光感応部を示す平面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面構成を説明するための概略図である。
【図７】図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面構成を説明するための概略図である。
【図８】図５のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面構成を説明するための概略図である。
【図９】図５のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面構成を説明するための概略図である。
【図１０】本実施形態に係る放射線撮像装置の固体撮像素子に含まれる光感応部の断面構成を説明するための概略図である。
【図１１】本実施形態に係る放射線撮像装置の変形例における断面構成を説明するための概略図である。
【図１２】本実施形態に係る放射線撮像装置の変形例における断面構成を説明するための概略図である。
【符号の説明】
１…放射線撮像装置、１１…固体撮像素子、１２…半導体基板、１２ｃ…Ｐ−型ウエル層、１２ｄ…Ｎ＋型半導体領域、１２ｅ…アイソレーション領域、１３…第１絶縁層、１４…金属配線、２１…シンチレータ、２３…マウント基板、３１…光感応部、３３…フォトダイオード、３５…ゲートスイッチ、４１…シフトレジスタ部、４３…垂直シフトレジスタ、４５…ゲートライン、５１…増幅部、５３…信号読み出しライン、５５…チャージアンプ、５７…読み出しスイッチ、５９…水平シフトレジスタ、６０…信号出力ライン、７１，７３…導電性部材。
Claims (11)
- 第１導電型の半導体基板と、当該半導体基板の一方面側に２次元状に配列されて形成された複数の第２導電型半導体領域とを含み、前記半導体基板と前記各第２導電型半導体領域とのｐｎ接合によりそれぞれがフォトダイオードとして機能する光感応部と、
少なくとも前記半導体基板の前記一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように設けられた導電性部材と、を有し、
前記導電性部材は、固定電位に接続されている、若しくは接地されていることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記導電性部材は、前記光感応部への光入射方向から見て格子形状を呈しており、前記半導体基板の前記一方面に露出する前記ｐｎ接合部分及び隣接する前記第２導電型半導体領域の間の部分を覆うように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
- 前記光感応部は、隣接する前記第２導電型半導体領域間に形成されたアイソレーション領域を更に含み、
前記導電性部材は、前記アイソレーション領域に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。 - 前記フォトダイオードに電気的に接続され、当該フォトダイオードの出力を読み出すための信号線と、
前記複数のフォトダイオードの列毎に前記各フォトダイオードと前記信号線との間の電気的な接続及び遮断を制御する複数のスイッチからなるスイッチ群と、
前記スイッチ群を構成する各スイッチの制御端子に接続され、当該各スイッチを前記複数のフォトダイオードの行毎に遮断あるいは導通させる走査信号を前記制御端子に入力する配線と、を更に有し、
前記配線は、前記導電性部材の上方に位置して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。 - 第１導電型の半導体基板と、当該半導体基板の一方面側にＭ行Ｎ列に配列されて形成された複数の第２導電型半導体領域とを含み、前記半導体基板と前記各第２導電型半導体領域とのｐｎ接合によりそれぞれがフォトダイオードとして機能する光感応部と、
前記列毎に設けられた第１の配線と、
前記列毎に前記各フォトダイオードと前記第１の配線とを接続する複数のスイッチからなる第１のスイッチ群と、
前記第１のスイッチ群を構成する各スイッチを前記行毎に開閉させる垂直走査信号を出力する垂直シフトレジスタと、
前記第１のスイッチ群を構成する各スイッチの制御端子と前記垂直シフトレジスタとを前記行毎に接続する第２の配線と、
前記第１の配線それぞれと信号出力線とを接続する複数のスイッチからなる第２のスイッチ群と、
前記第２のスイッチ群を構成する各スイッチを前記列毎に開閉させる水平走査信号を出力する水平シフトレジスタと、
少なくとも前記半導体基板の前記一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように設けられた導電性部材と、を有しており、
前記導電性部材は、固定電位に接続されている、若しくは接地されていることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記導電性部材は、前記光感応部への光入射方向から見て格子形状を呈しており、前記半導体基板の前記一方面に露出する前記ｐｎ接合部分及び隣接する前記第２導電型半導体領域の間の部分を覆うように設けられていることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
- 前記光感応部は、隣接する前記第２導電型半導体領域間に形成されたアイソレーション領域を更に含み、
前記導電性部材は、前記アイソレーション領域に電気的に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。 - 前記第２の配線は、前記導電性部材の上方に位置して設けられていることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
- 第１導電型の半導体基板と、当該半導体基板の一方面側に２次元状に配列されて形成された複数の第２導電型半導体領域とを含み、前記半導体基板と前記各第２導電型半導体領域とのｐｎ接合によりそれぞれがフォトダイオードとして機能する光感応部と、
前記フォトダイオード以外の領域で発生した電荷を外部に排出するための導電性部材と、を有していることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記導電性部材は、少なくとも前記半導体基板の前記一方面に露出するｐｎ接合部分を覆うように当該ｐｎ接合部分の上方に設けられており、固定電位に接続されている若しくは接地されていることを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置。
- 請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の固体撮像装置と、
前記複数のフォトダイオードを覆うように設けられ、放射線を可視光に変換するシンチレータと、を有することを特徴とする放射線撮像装置。
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